浅析Linux线程的创建
时间:2014-11-28 15:06 来源:linux.it.net.cn 作者:IT
本文首先使用了接口pthread_create创建一个线程，并用strace命令追踪了接口pthread_create创建线程的步骤以及涉及到的系统调用，然后讨论了Linux中线程与进程关系，最后概述了为了实现POSIX线程，Linux内核所做的修改。
使用pthread_create创建线程
在Linux下可以使用pthread_create来创建线程，该接口声明如下：
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1
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#include <pthread.h>
int pthread_create(phtread_t *thread, const pthread_attr_t *attr,
void *(*start_routine) (void *), void *arg);
可以看到，我们在创建线程时，可以指定线程的属性pthread_attr_t，比如线程的分离状态属性、线程栈的大小等属性（当然需要pthread_attr_init相关接口来操作这个属性结构体），另外也可以在创建线程时，给线程入口函数传递参数arg。注意在用改接口创建新的线程时，新创建的线程可能在pthread_create函数返回之前就运行了。下面是一个简单示例：
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#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
void* thread(void* arg)
{
printf("This is a pthread.\n");
sleep(5);
return((void *)0);
}
int main(int argc,char **argv)
{
pthread_t id;
int ret;
printf("pthread_start\n");
ret = pthread_create(&id,NULL,thread,NULL);
printf("pthread_end\n");
if(ret != 0)
{
printf("Create pthread error!\n");
exit(1);
}
printf("This is the main process.\n");
pthread_join(id,NULL);
return 0;
}
编译程序获得可执行文件：
?
1
$gcc -g -lpthread -Wall -o hack_pthread_create hack_pthread_create.c
我们可以使用命令strace来跟踪线程的创建过程：
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$strace ./hack_pthread_create
其中接口pthread_create相关部分的输出如下:
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mmap(NULL, 8392704, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS|MAP_STACK, -1, 0) = 0x7f70b6c2f000
brk(0) = 0x1fe3000
brk(0x2004000) = 0x2004000
mprotect(0x7f70b6c2f000, 4096, PROT_NONE) = 0
clone(child_stack=0x7f70b742eff0, flags=CLONE_VM|CLONE_FS|CLONE_FILES|CLONE_SIGHAND|CLONE_THREAD|CLONE_SYSVSEM|CLONE_SETTLS|CLONE_PARENT_SETTID|CLONE_CHILD_CLEARTID, parent_tidptr=0x7f70b742f9d0, tls=0x7f70b742f700, child_tidptr=0x7f70b742f9d0) = 64861
有上面输出可以知道，接口pthread_create创建线程的步骤如下：
1）调用mmap在堆上分配内存，大小为8392704字节，即8196KB，也就是8M+4K，比栈的空间大了4K，这4k大小为栈的警容缓冲区大小。
2）调用mprotect()设置个内存页的保护区(大小为4K)，页面起始地址为0x7f70b6c2f000，这个页面用于监测栈溢出，如果对这片内存有读写操作，那么将会触发一个SIGSEGV信号。
3）调用clone()创建线程。在Linux中，该接口用来创建进程，实质上，Linux中线程是用进程来实现，具体参照下文。调用的第一个参数是栈底的地址。栈空间的内存使用，是从高位内存开始的。其中参数flags主要标记含义说明如下：
CLONE_VM表示父进程和子进程共享内存空间；也就是说，任何一个进程在内存中修改，也会影响其他进程，包括进程中执行mmap或munmap操作，也会影响其他进程。值得一提的是，fork也是调用clone来创建子进程的，它也不会设置CLONE_VM标记。
CLONE_FS表示父进程和子进程共享文件系统信息，包括文件系统根目录、当前工作目录和umask。在父进程或子进程中调用chroot，chdir和umask也会影响其他进程。
CLONE_FILES表示父进程和子进程共享相同的文件描述符表。在父进程或子进程中打开一个新的文件，或者关闭一个文件，或者用fcntl修改相关的文件flag，也会影响其他进程。
CLONE_SIGHAND表示父进程和子进程共享相同的信号处理程序表，即父进程或子进程通过sigaction修改信号的处理方式，也会影响其他进程。但是父进程和子进程各种有独立掩码，因此一个进程通过sigprocmask来阻塞或不阻塞某个信号，是不会影响其他进程的。
CLONE_THREAD用来表示子进程与父进程在同一个线程组（thread group）中。简单的说，创建的子进程对于用户空间来说就是创建一个线程。
CLONE_SYSVSEM用来表示子进程与父进程共享相同的信号量列表。
上面说的“子进程”实质就是我们创建的线程，从这些标识也能看出，进程中各个线程之间共享了那些资源。
Linux中线程与进程关系
在Linux系统中，进程虽然定义为程序的执行实例, 它并不执行什么, 只是维护应用程序所需的各种资源，而线程则是真正的执行实体。为了让进程完成一定的工作, 进程必须至少包含一个线程。进程所维护的是程序所包含的资源(静态资源)，比如：虚拟地址空间、打开的文件描述符集合、文件系统状态和信号处理程序等；线程所维护的运行相关的资源(动态资源)，比如：运行栈、调度相关的控制信息、待处理的信号集等。在Linux内核中并没有线程的概念，每一个执行实体都是一个task_struct结构, 通常称之为进程。进程是一个执行单元，维护着执行相关的动态资源。同时它又引用着程序所需的静态资源。通过系统调用clone创建子进程时，可以有选择性地让子进程共享父进程所引用的资源。这样的子进程通常称为轻量级进程。linux上的线程就是基于轻量级进程，由用户态的pthread库实现的。
使用pthread时, 在用户看来, 每一个task_struct就对应一个线程, 而一组线程以及它们所共同引用的一组资源就是一个进程，但是一组线程并不仅仅是引用同一组资源就够了，它们还必须被视为一个整体，即所谓的线程组。
总之，一个进程里面可以有多个线程，这些线程由内核自动调度，并且每个线程有它自己的线程上下文（thread context），包括线程ID、栈、栈指针、程序计数器、通用目的寄存器和条件码。而进程中其他资源是所有的线程共享的，包括虚拟地址空间（代码、数据、堆、共享库）、文件系统信息、文件描述符表和信号处理程序。
Linux中线程的实现
从接口pthread_create调用的函数知道，在Linux中线程是通过进程来实现，Linux 内核为进程创建提供一个clone()系统调用，clone参数有CLONE_VM, CLONE_FILES, CLONE_SIGHAND,CLONE_THREAD等。在创建一个线程时，通过clone()的参数，新创建的进程(也称为LWP(Lightweight process))与父进程共享内存空间，文件描述符表和信号处理程序等，从而达到创建线程相同的目的。
在Linux 2.4之前，phtread线程库对应的实现是一个名叫linuxthreads的lib，但是该库并没有满足POSIX提出的那些要求，它是在用户空间实现的，在信号处理、进程调度(每个进程需要一个额外的调度线程)及多线程之间同步共享资源等方面存在一定问题。
到了Linux2.4后，phtread线程库对应的实现是NPTL(Native POSIX Thread Library)，NPTL实现满足了POSIX要求。NPTL是一个1×1的线程模型，即一个线程对于一个操作系统的调度进程。NPTL的实现依赖于linux内核的修改。内核有以下相关修改：
1）在kernel增加了futex(fast userspace mutex)支持用于处理线程之间的sleep与wake。futex是一种高效的对共享资源互斥访问的算法。kernel在里面起仲裁作用，但通常都由进程自行完成。
2）在Linux 2.4中，内核有了线程组的概念，线程组中所有的线程共享一个PID，这个PID就是所谓的线程组标识（thread group identifier (TGID)），并且在task_struct结构中增加了一个字段存放这个值。如果新创建的线程是线程组中的第一个线程，即主线程，则TGID的值就是这个线程PID的值，否则TGID的值等于进程的PID（即主线程的PID）。
如果在新创建的线程中调用getpid，则返回的值就是这个TGID，即主线程的PID（也就是通常说的进程PID），要想获得线程自身在内核的ID，即tast_struct中的PID，可以调用gettid获得。
在clone系统调用中, 传递CLONE_THREAD参数（即在创建线程时）就可以把新进程的TGID设置为父进程的TGID(否则新进程的TGID会设为其自身的PID)。类似的ID在task_struct中还有两个：task->signal->pgid保存进程组的打头进程的PID，task->signal->session保存会话打头进程的PID，通过这两个id来关联进程组和会话。有了TGID, 内核或相关的shell程序就知道某个tast_struct是代表一个进程还是代表一个线程, 也就知道在什么时候该展现它们, 什么时候不该展现(比如在ps的时候, 线程通常就不会展现了，但是加上选项-L就会显示)。
在进程中任何一个线程中执行类似的 execve的函数，除了主线程外，其他线程都会终止，并且新的程序在主线程中执行。
注意上面讨论的id与线程的pthread_t完全不相关的，并且在大多数以PID作为参数或作用在进程上的系统调用，都会把这个PID当成TGID会把操作作用到整个线程组上（进程上）。
3）为了应付"发送给进程的信号"和"发送给线程的信号", task_struct里面维护了两套signal_pending, 一套是线程组共享的, 一套是线程独有的。通过kill发送的信号被放在线程组共享的signal_pending中, 可以由任意一个线程来处理；通过pthread_kill发送的信号(pthread_kill是pthread库的接口, 对应的系统调用中tkill)被放在线程独有的signal_pending中, 只能由本线程来处理。当线程停止/继续, 或者是收到一个致命信号时, 内核会将处理动作施加到整个线程组中。
(责任编辑：IT)
本文首先使用了接口pthread_create创建一个线程，并用strace命令追踪了接口pthread_create创建线程的步骤以及涉及到的系统调用，然后讨论了Linux中线程与进程关系，最后概述了为了实现POSIX线程，Linux内核所做的修改。
使用pthread_create创建线程
在Linux下可以使用pthread_create来创建线程，该接口声明如下：
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#include <pthread.h>
int pthread_create(phtread_t *thread, const pthread_attr_t *attr,
void *(*start_routine) (void *), void *arg);
可以看到，我们在创建线程时，可以指定线程的属性pthread_attr_t，比如线程的分离状态属性、线程栈的大小等属性（当然需要pthread_attr_init相关接口来操作这个属性结构体），另外也可以在创建线程时，给线程入口函数传递参数arg。注意在用改接口创建新的线程时，新创建的线程可能在pthread_create函数返回之前就运行了。下面是一个简单示例：
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#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
void* thread(void* arg)
{
printf("This is a pthread.\n");
sleep(5);
return((void *)0);
}
int main(int argc,char **argv)
{
pthread_t id;
int ret;
printf("pthread_start\n");
ret = pthread_create(&id,NULL,thread,NULL);
printf("pthread_end\n");
if(ret != 0)
{
printf("Create pthread error!\n");
exit(1);
}
printf("This is the main process.\n");
pthread_join(id,NULL);
return 0;
}
编译程序获得可执行文件：
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$gcc -g -lpthread -Wall -o hack_pthread_create hack_pthread_create.c
我们可以使用命令strace来跟踪线程的创建过程：
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$strace ./hack_pthread_create
其中接口pthread_create相关部分的输出如下:
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mmap(NULL, 8392704, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS|MAP_STACK, -1, 0) = 0x7f70b6c2f000
brk(0) = 0x1fe3000
brk(0x2004000) = 0x2004000
mprotect(0x7f70b6c2f000, 4096, PROT_NONE) = 0
clone(child_stack=0x7f70b742eff0, flags=CLONE_VM|CLONE_FS|CLONE_FILES|CLONE_SIGHAND|CLONE_THREAD|CLONE_SYSVSEM|CLONE_SETTLS|CLONE_PARENT_SETTID|CLONE_CHILD_CLEARTID, parent_tidptr=0x7f70b742f9d0, tls=0x7f70b742f700, child_tidptr=0x7f70b742f9d0) = 64861
有上面输出可以知道，接口pthread_create创建线程的步骤如下：
1）调用mmap在堆上分配内存，大小为8392704字节，即8196KB，也就是8M+4K，比栈的空间大了4K，这4k大小为栈的警容缓冲区大小。
2）调用mprotect()设置个内存页的保护区(大小为4K)，页面起始地址为0x7f70b6c2f000，这个页面用于监测栈溢出，如果对这片内存有读写操作，那么将会触发一个SIGSEGV信号。
3）调用clone()创建线程。在Linux中，该接口用来创建进程，实质上，Linux中线程是用进程来实现，具体参照下文。调用的第一个参数是栈底的地址。栈空间的内存使用，是从高位内存开始的。其中参数flags主要标记含义说明如下：
CLONE_VM表示父进程和子进程共享内存空间；也就是说，任何一个进程在内存中修改，也会影响其他进程，包括进程中执行mmap或munmap操作，也会影响其他进程。值得一提的是，fork也是调用clone来创建子进程的，它也不会设置CLONE_VM标记。
CLONE_FS表示父进程和子进程共享文件系统信息，包括文件系统根目录、当前工作目录和umask。在父进程或子进程中调用chroot，chdir和umask也会影响其他进程。
CLONE_FILES表示父进程和子进程共享相同的文件描述符表。在父进程或子进程中打开一个新的文件，或者关闭一个文件，或者用fcntl修改相关的文件flag，也会影响其他进程。
CLONE_SIGHAND表示父进程和子进程共享相同的信号处理程序表，即父进程或子进程通过sigaction修改信号的处理方式，也会影响其他进程。但是父进程和子进程各种有独立掩码，因此一个进程通过sigprocmask来阻塞或不阻塞某个信号，是不会影响其他进程的。
CLONE_THREAD用来表示子进程与父进程在同一个线程组（thread group）中。简单的说，创建的子进程对于用户空间来说就是创建一个线程。
CLONE_SYSVSEM用来表示子进程与父进程共享相同的信号量列表。
上面说的“子进程”实质就是我们创建的线程，从这些标识也能看出，进程中各个线程之间共享了那些资源。
Linux中线程与进程关系
在Linux系统中，进程虽然定义为程序的执行实例, 它并不执行什么, 只是维护应用程序所需的各种资源，而线程则是真正的执行实体。为了让进程完成一定的工作, 进程必须至少包含一个线程。进程所维护的是程序所包含的资源(静态资源)，比如：虚拟地址空间、打开的文件描述符集合、文件系统状态和信号处理程序等；线程所维护的运行相关的资源(动态资源)，比如：运行栈、调度相关的控制信息、待处理的信号集等。在Linux内核中并没有线程的概念，每一个执行实体都是一个task_struct结构, 通常称之为进程。进程是一个执行单元，维护着执行相关的动态资源。同时它又引用着程序所需的静态资源。通过系统调用clone创建子进程时，可以有选择性地让子进程共享父进程所引用的资源。这样的子进程通常称为轻量级进程。linux上的线程就是基于轻量级进程，由用户态的pthread库实现的。
使用pthread时, 在用户看来, 每一个task_struct就对应一个线程, 而一组线程以及它们所共同引用的一组资源就是一个进程，但是一组线程并不仅仅是引用同一组资源就够了，它们还必须被视为一个整体，即所谓的线程组。
总之，一个进程里面可以有多个线程，这些线程由内核自动调度，并且每个线程有它自己的线程上下文（thread context），包括线程ID、栈、栈指针、程序计数器、通用目的寄存器和条件码。而进程中其他资源是所有的线程共享的，包括虚拟地址空间（代码、数据、堆、共享库）、文件系统信息、文件描述符表和信号处理程序。
Linux中线程的实现
从接口pthread_create调用的函数知道，在Linux中线程是通过进程来实现，Linux 内核为进程创建提供一个clone()系统调用，clone参数有CLONE_VM, CLONE_FILES, CLONE_SIGHAND,CLONE_THREAD等。在创建一个线程时，通过clone()的参数，新创建的进程(也称为LWP(Lightweight process))与父进程共享内存空间，文件描述符表和信号处理程序等，从而达到创建线程相同的目的。
在Linux 2.4之前，phtread线程库对应的实现是一个名叫linuxthreads的lib，但是该库并没有满足POSIX提出的那些要求，它是在用户空间实现的，在信号处理、进程调度(每个进程需要一个额外的调度线程)及多线程之间同步共享资源等方面存在一定问题。
到了Linux2.4后，phtread线程库对应的实现是NPTL(Native POSIX Thread Library)，NPTL实现满足了POSIX要求。NPTL是一个1×1的线程模型，即一个线程对于一个操作系统的调度进程。NPTL的实现依赖于linux内核的修改。内核有以下相关修改：
1）在kernel增加了futex(fast userspace mutex)支持用于处理线程之间的sleep与wake。futex是一种高效的对共享资源互斥访问的算法。kernel在里面起仲裁作用，但通常都由进程自行完成。
2）在Linux 2.4中，内核有了线程组的概念，线程组中所有的线程共享一个PID，这个PID就是所谓的线程组标识（thread group identifier (TGID)），并且在task_struct结构中增加了一个字段存放这个值。如果新创建的线程是线程组中的第一个线程，即主线程，则TGID的值就是这个线程PID的值，否则TGID的值等于进程的PID（即主线程的PID）。
如果在新创建的线程中调用getpid，则返回的值就是这个TGID，即主线程的PID（也就是通常说的进程PID），要想获得线程自身在内核的ID，即tast_struct中的PID，可以调用gettid获得。
在clone系统调用中, 传递CLONE_THREAD参数（即在创建线程时）就可以把新进程的TGID设置为父进程的TGID(否则新进程的TGID会设为其自身的PID)。类似的ID在task_struct中还有两个：task->signal->pgid保存进程组的打头进程的PID，task->signal->session保存会话打头进程的PID，通过这两个id来关联进程组和会话。有了TGID, 内核或相关的shell程序就知道某个tast_struct是代表一个进程还是代表一个线程, 也就知道在什么时候该展现它们, 什么时候不该展现(比如在ps的时候, 线程通常就不会展现了，但是加上选项-L就会显示)。
在进程中任何一个线程中执行类似的 execve的函数，除了主线程外，其他线程都会终止，并且新的程序在主线程中执行。
注意上面讨论的id与线程的pthread_t完全不相关的，并且在大多数以PID作为参数或作用在进程上的系统调用，都会把这个PID当成TGID会把操作作用到整个线程组上（进程上）。
3）为了应付"发送给进程的信号"和"发送给线程的信号", task_struct里面维护了两套signal_pending, 一套是线程组共享的, 一套是线程独有的。通过kill发送的信号被放在线程组共享的signal_pending中, 可以由任意一个线程来处理；通过pthread_kill发送的信号(pthread_kill是pthread库的接口, 对应的系统调用中tkill)被放在线程独有的signal_pending中, 只能由本线程来处理。当线程停止/继续, 或者是收到一个致命信号时, 内核会将处理动作施加到整个线程组中。
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